火电厂人员定位系统技术路线设计

2023-01-04国能网信科技北京有限公司陈汉章冯孟奇

电力设备管理 2022年13期

国能网信科技（北京）有限公司陈汉章冯孟奇

当前火电厂作业人员管理更多采用的是监管人员现场安全监督的方式，这种方式需耗费大量工作时间，监管效果多为主管体现，同时生产现场存在作业范围广、作业点多、不能解决所有现场作业人员监管的问题。

如何全方位、无死角进行现场作业监管成为火电厂安全管理的现实需求，同时也是制约火电厂安全管理水平提升的瓶颈，包括高风险作业管控、外委人员管理、到岗到位管理、应急管理等。因此火电厂迫切需要一种能够结合火电厂实际应用场景的新技术及管理系统来打破僵局，实现现场作业人员的实时管理，对现场作业人员分布情况、现场作业情况、到岗到位情况、现场巡检情况进行实时监管，提升安全管理水平。

传统电厂安全管控全靠人，安全人员需每天开安全监督会、分配工作、现场盯防违规行为，该种传统的安全管控模式存在以下问题：生产现场设备错综复杂，同时区域分散，需现场人员监督作业，无法实时获取人员位置信息，不能监管至每个人，监管效率低；重大操作不能确定管理人员是否到岗到位；当人员遇到危险时无法实时定位人员位置，无法知晓人员生命体征情况。针对上述问题，可通过建设人员定位系统，直观的查看现场作业票分布情况、现场人员分布情况、高风险作业分布情况、关键人是否在场情况，根据风险等级主动关注作业情况、区域人员情况，同时可调取现场的视频监控，锁定某个作业人员定位。

从定位功能需求层次实现内容包括：全厂以及外委人员实时定位功能、历史轨迹回放功能、人员快速定位功能、视频联动功能、两票数据展示功能，同时实现基本的电厂信息维护、人员信息维护等基础功能，并可对基本信息进行增加、修改、删除和查询，用户通过简单的操作即可实时掌握整个电厂的人员情况。

从定位精度层次实现内容包括：针对锅炉房、汽机房等设备情况复杂、人员进出流量大的区域实现三维精准定位、误差小于50cm，针对厂区道路、输煤栈桥等区域实现二维精准定位、误差小于100cm，针对氨区、氢站等人员作业少的区域实现一维区域定位，实现进入即定位。

1 火电厂定位技术选型

火电厂作业区域主要在锅炉房、汽机房、输煤区域等，大多数作业区域属于室内区域，在定位技术选型时，室外常用的北斗定位受制于建筑物的影响定位精度并不理想，不适用于室内。基于火电厂特殊的定位需求，更多需进行室内定位来实现对生产现场的人员进行监控，因此需对适合于室内定位技术的如WiFi、蓝牙、UWB、Zigbee、RFID、红外线之间进行技术选型。

1.1 WiFi定位技术

Wi-Fi网络是一种常见的基础网络设施，WiFi定位的基础方式“邻近法”是一种搭建路径损耗模型，通过模型对位置数据进行结算，从而实现定位的目的。

WiFi定位技术因为复杂度的因素，不采用飞行时间进行测距计算，通过测量终端RSSI的信号接受强度，在通过RSSI与距离的推算公式来进行距离的计算，但是由于公式本身以及RSSI测量的误差，最终都会造成WiFi的定位精度低，即便通过多次的RSSI测量也无法避免误差大的结果，同时WiFi信号也受制于现场的应用环境，对于汽机房以及锅炉房错综复杂的设备环境WiFi信号会受到较大影响，定位精度较低，一般在3～10米左右，不满足精度要求。

1.2 蓝牙定位技术

通过RSSI即测量信号强度进行定位，蓝牙4.0（BLE-Bluetooth Low Energy）的低功耗特性和苹果的iBeacon发布，大大推动了蓝牙技术在室内定位领域的应用。因为iBeacon（即BLE基站）低功耗无源（仅靠一节纽扣电池供电一年以上，不用外接电源）、成本低廉，所以iBeacon可远比WiFi AP部署的密度高。蓝牙定位的应用方式首先是在定位区域内布设蓝牙定位信标，定位信标不间断地向周围发送数据信号，当终端设备进入蓝牙信标的覆盖范围时，测出该终端设备在不同信标下的RSSI值，然后通过特定的定位算法解算终端设备的当前位置，从而实现定位。

蓝牙定位的优势在于铺设、解算方式上的便捷，蓝牙定位的精度与蓝牙信标的铺设密度呈正相关，且蓝牙定位设备因功能特性的原因具有协议简单、可深度休眠的特点，但对于复杂环境蓝牙信号稳定性差、抗干扰能力弱，对于火电厂一些定位精度要求不高及一维存在定位区域可采用蓝牙定位技术。

1.3 超宽带UWB定位技术

高宽带UWB技术与其他无线通信技术有较大的差异，近年来苹果公司、三星公司、小米公司等均在UWB技术上投入资源进行研发，是一种新兴的无线通信技术。UWB技术在发送数据时，发送的是宽频域、窄时域脉冲信号，具备很强的时间、空间分辨能力，因此UWB信号的多径分辨率很高，在抵抗室内信号传输常见的多径效应（信号因反射造成的多路径传播）上表现优秀，它不需使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有ns或μs级以下的极窄脉冲来传输数据，可在较低功耗的条件下于1ns内发送超过500MHz带宽的脉冲信号，主要用于短距通信领域。

UWB定位的方式是通过在固定的定位基站与定位终端间发送无线脉冲来测量飞行时间、进而测距，或通过定位终端到各定位基站间的飞行时间差来测距，然后通过三角定位法定位。由于UWB特有的抗多径效应强的物理特性，测距和定位精度较高。由于其特殊的信号类型及频谱，相对于其他无线电波信号UWB信号在复杂的室内环境下不受多路效应的影响，并具有极佳的障碍物穿透能力，定位精度可达到10cm级别。超宽带技术可应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度，基于技术特点，能够满足火电厂复杂环境下对于定位精度的要求。

1.4 RFID定位技术

即射频识别技术，RFID是利用电感和电磁耦合或雷达反射的传输特性，实现对定位目标的位置感知识别，常用于自动控制领域。射频(RF)即为射频电流，波长范围从低频到高频，在300kHz到300GHz之间。RFID定位系统通常由电子标签、射频读写器、中间件及计算机数据库组成。电子标签和读写器是经由天线架起的空间电磁波的传输通道进行数据交互的。在定位系统应用中，将射频定位装置放置在需定位物体或人员身上，射频电子标签嵌入到操作环境中。电子标签上存储有位置识别的信息，读写器则通过有线或无线方式连接至数据库。

RFID定位的优点在于数据传输速率较高、安全性好，并不受非视线通信问题困扰；缺点在于需在定位区域内部署大量的RFID通讯定位设备，且需定位人员佩戴RFID定位标签，基于此原因RFID定位技术并不适用电厂应用场景。

1.5 超声波定位技术、红外线定位技术

该定位方式是在室内安装超声波扬声器，发射能被定位终端检测到的超声波信号，通过声波的到达时间差推测出终端的位置，此定位技术需在现场安装大量扬声器，同时易受室内多径效应的影响，定位效果不稳定，不能满足火电厂定位要求。

红外定位技术通过红外发射装置与接收装置来完成定位，将红外发射装置安装到需定位的人员或设备上，发射具有唯一性的红外信号，通过在区域内安装红外接收器，并将所有接收器与控制终端相链接，经过控制终端进行信号数据解算，从而完成人员、设备的定位。红外线定位技术的优点在于定位误差小，缺点在于发射距离短且难以穿透墙体，不适用于火电厂复杂的实际环境。

综上所述，由于UWB稳定性好、定位精度高以及抗干扰能力强的特点，满足火电厂复杂环境下的定位高精度要求，同时针对不同精度要求的定位区域可结合蓝牙定位方式进行辅助定位，因此最终可确定采用UWB+蓝牙双定位技术。

2 定位算法选型及定位功能设计

基于超宽带（UWB技术）能及其准确地测量无线电信号的飞行时间，从而实现厘米精度的位置测量，在现有的UWB定位系统中存在多种基于测距的定位方法，每种定位方法都对应着多种不同的解算定位的算法，在UWB技术中应用最广泛的是飞行时间测距法（TOF）和到达时间差法（TDOA）。从定位方式来看两种方式均属于多点定位，即确定标签与多个已知坐标点的相对位置关系定位。

TDOA定位是一种利用时间差进行定位的方法，通过测量信号到达监测站的时间可确定信号源的距离。利用信号源到各个监测站的距离(以监测站为中心，距离为半径作圆)就能确定信号的位置。但是绝对时间一般比较难测量，通过比较信号到达各个监测站的绝对时间差，就能做出以监测站为焦点、距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是信号的位置。

TOF测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在两个异步收发机(Transceiver)或被反射面之间往返的飞行时间来测量节点间的距离，适合环境较为复杂的应用场景，如制造型工厂、电厂、化工厂、办公楼等。TDOA适合环境空旷较为简单的应用场景，如户外运动、仓库等。通过对比分析施工成本、硬件成本、应用场景、续航能力、标签支持容量等多角度分析，发电厂应采用TOF定位算法更加符合要求。

以UWB技术为基础、TOF为核心算法建立的火电厂人员定位系统，核心功能在于安全管理。基于安全管理的基本原则，应包含如下功能：

人员实时定位功能，即安全监管人员可实时查看现场作业人员位置；电子围栏功能，将全厂各风险区域按照危险等级进行划分，设置不同权限，当电子围栏内出现不规范行为时进行系统告警；历史轨迹回溯功能，当安全监管出现遗漏时可进行人员行走轨迹的回溯，从而保证安全监管的全面性；巡检管理功能，系统也需配备智能巡检路线规划功能，用于辅助巡检人员更高效、更安全的完成日常巡检工作；两票数据展示，系统统计全厂各区域两票数量、类型、风险等级，实时监控票面人员与作业信息是否一致，实时监督管理现场作业；高风险作业管理，集中展现高风险作业数量及内容，实时掌握高风险作业进度及人员情况；到岗到位管理，通过配置到岗到位区域及规则，系统自动记录安全监察、高风险作业监督、工作负责人监票到岗到位情况，确保安全管理流程落实。

除上述功能外，将大数据分析功能与定位系统相融合，将安全管理数据进行信息化应用，也是提升安全管理的重要手段之一。

3 定位区域与定位精度规划

根据火力发电厂的业务需求及各区域场景的特点，推荐各区域采用的定位方式及定位精度如下：

厂区道路：根据火电厂情况对于办公楼到厂房的常走的道路采用三维精准定位，定位精度在0～50cm，偏僻或不常用的道路采用二维线性定位方式，定位精度在100cm以内即可，定位技术选用UWB定位技术；汽机房区域：汽机房各层的主设备区采用三维精准定位，汽机房属于需要精准定位的区域，定位精度应在30cm以内；电子间、励磁间、定子水间、主控室房间内采用存在定位，无定位精度要求，仅表示人员存在于该区域即可；凝汽器底部、凝泵坑、操作平台、楼梯不定位，对于存在性定位区域采用蓝牙定位技术。

锅炉房区域：其与汽机房区域类似，其中1层和12米平台层采用三维精准定位，定位精度在30cm以内，其他电梯层采用二维线性定位，夹层和小操作平台不定位，定位技术选用UWB定位技术；输煤区域：封闭煤场道路采用二维线性定位、进出口采用一维存在定位，对于输煤栈桥、转运站采用二维线性定位，二维定位区域选用UWB定位技术，一维存在性定位选用蓝牙定位技术，输煤区域整体定位精度应在0～100cm范围内，以满足实际定位需求；危险区域：对于氨区、氢站等危险区域采用一维存在性定位，采用蓝牙定位技术，该区域内不做定位精度要求，仅需表现人员存在即可。